Многим основателям квантовой физики было тяжело принимать ее странные следствия. Сам Шрёдингер выразил свои сомнения по поводу интерпретации квантовой механики в терминах волн вероятности в парадоксе, который в настоящее время известен под названием «Кошка Шрёдингера».

Предположим, что мы помещаем кошку в клетку с радиоактивным атомом и счетчиком Гейгера. Радиоактивный атом будет распадаться в соответствии с законами вероятности. Если атом распадается, то счетчик Гейгера сработает и включит молоток, молоток разобьет бутылку с ядом, и яд убьет кошку. Допустим, что вероятность того, что это случится в течение часа, составляет 50% (рис. 21).

Рис. 21. Парадокс кошки Шрёдингера

Тогда каким образом квантовая механика описывает состояние кошки по прошествии часа? Разумеется, если мы посмотрим, то обнаружим, что кошка либо жива, либо мертва. А что, если мы не посмотрим? Вероятность того, что кошка мертва, составляет 50%. Вероятность того, что кошка жива, тоже равна 50%.

Если мыслить классически, как требует материальный реализм, и руководствоваться принципами детерминизма и причинной непрерывности, то можно было бы провести мысленную аналогию с ситуацией, в которой некто подбросил монету, а потом накрыл ее ладонью. Мы не знаем, что выпало — орел или решка, но, разумеется, выпало либо то, либо другое. Кошка либо жива, либо мертва, с вероятностью каждого исхода, равной 50%. Мы просто не знаем, какой исход реализовался на самом деле. Отнюдь не такой сценарий предполагает математика квантовой механики. Квантовая механика подходит к вероятностям совсем иначе. Она описывает состояние кошки в конце часа как наполовину мертвое, наполовину живое. Внутри ящика имеется вполне буквально «когерентная суперпозиция наполовину живой и наполовину мертвой кошки» — как это звучит на техническом жаргоне квантовой физики. Парадокс кошки, которая жива и мертва одновременно — это следствие того, как в квантовой механике делаются вычисления. Сколь бы странными ни были следствия этой математики, мы должны относиться к ней серьезно, поскольку та же математика дарит нам чудеса транзисторов и лазеров.

Эту абсурдную ситуацию резюмирует следующая пародия из «Книги старого опоссума о практичных кошках» Т. С. Элиота:

Пародия, разумеется, верна — никто не видел квантовую кошку, или когерентную суперпозицию, в действительности — даже квантовые физики. В самом деле, если мы заглядываем в ящик, то видим либо живую, либо мертвую кошку. Возникает неизбежный вопрос: что же такого особого в нашем акте наблюдения, что он способен разрешить дьявольскую дилемму кошки?

Одно дело — правдоподобно говорить об электроне, одновременно проходящем через две щели, но когда мы говорим о том, что кошка наполовину жива и наполовину мертва, абсурдность квантовой когерентной суперпозиции становится самоочевидной.

Один выход из положения состоит в том, чтобы настаивать, что математическое предсказание когерентной суперпозиции не следует принимать буквально. Вместо этого можно, следуя интерпретации в терминах статистики ансамблей, которой отдают предпочтение некоторые материалисты, убеждать себя, что квантовая механика делает предсказания только относительно экспериментов с очень большим числом объектов. Если бы имелось десять миллиардов кошек в абсолютно одинаково устроенных ящиках, то квантовая механика говорила бы нам, что по истечении часа половина из них будет мертва — и, несомненно, наблюдение подтвердило бы истинность этого утверждения. Быть может, для одной кошки теория просто не применима. В предыдущей главе приводился сходный довод для электронов. Однако фактически интерпретация в терминах ансамблей сталкивается с затруднением даже при объяснении интерференционной картины в простом двухщелевом эксперименте.

Кроме того, интерпретация в терминах ансамблей равносильна отказу от квантовой механики как физической теории для описания единичного объекта или единичного события. Поскольку единичные события все же происходят (и даже были выделены единичные электроны), мы должны быть способны говорить о единичных квантовых объектах. В действительности, квантовая механика формулировалась применительно к единичным объектам, несмотря на парадоксы, которые при этом возникают. Мы должны быть готовы к парадоксу Шрёдингера и искать способ его разрешения. Альтернатива в том, чтобы не иметь вообще никакой физики для единичных объектов — а это совершенно неприемлемо.

Сегодня многие физики, имея дело с парадоксом кошки Шрёдингера, предпочитают прятаться за антиметафизическую философию логического позитивизма. Эта философия выросла из работы венского философа Людвига Виттгенштейна «Логико-философский трактат», где он высказывает свое знаменитое суждение: «О чем невозможно говорить, о том следует молчать». Следуя этому правилу, такие физики — мы можем называть их представителями нео-Копенгагенской школы — заявляют, что нам следует ограничивать обсуждение реальности тем, что видимо, вместо того чтобы пытаться утверждать реальность чего-то, что невозможно наблюдать. Для них главный довод состоит в том, что мы никогда не видим когерентную суперпозицию. Наполовину жива или наполовину мертва ненаблюдаемая кошка? Они бы сказали, что такой вопрос нельзя задавать, поскольку на него невозможно ответить. Конечно, это софистика. К вопросу, на который невозможно ответить прямо, тем не менее, можно подходить косвенно и ответ на него можно вычислять на основании согласованности с тем, что мы можем знать прямо. Более того, полное уклонение от метафизических вопросов не совместимо с духом первоначальной Копенгагенской интерпретации и с представлениями, которых придерживались Бор и Гейзенберг.

По мнению Бора, Копенгагенская интерпретация ослабляет абсурдность наполовину мертвой, наполовину живой кошки с помощью принципа дополнительности: когерентная суперпозиция представляет собой абстракцию; в абстракции кошка может существовать как и живая, и мертвая. Это описание является дополнительным по отношению к описанию мертвой или живой кошки, которое мы даем, когда ее видим. Согласно Гейзенбергу, когерентная суперпозиция ~ наполовину живая, наполовину мертвая кошка — существует в трансцендентной потенции. Именно наше наблюдение «схлопывает» двойственное состояние кошки в единственное.

Как следует понимать это понятие наполовину живой, наполовину мертвой кошки, существующей в потенции? Ответ, который звучит как научная фантастика, предложили физики Хью Эверетт и Джон Уиллер. Согласно Эверетту и Уиллеру, реализуются обе возможности — живая и мертвая кошка, — однако это происходит в разных реальностях, или параллельных вселенных. Для каждой живой кошки, которую мы находим в ящике, наш двойник в параллельной вселенной, открывая двойник нашего ящика, обнаруживает мертвого двойника нашей кошки. Наблюдение двойственного состояния кошки заставляет саму вселенную расщепляться на параллельные ветви. Это интригующая идея, и некоторые писатели-фантасты (особенно Филип К. Дик) ей умело воспользовались. К сожалению, это также дорогостоящая идея. В соответствии с ней, количество материи и энергии должно было бы удваиваться всякий раз, когда наблюдение заставляет вселенную расщепляться. Это оскорбляет нашу склонность к экономии, которая может быть предрассудком, но, тем не менее, служит краеугольным камнем научного рассуждения. Кроме того, поскольку параллельные вселенные не взаимодействуют, эту интерпретацию трудно подвергнуть экспериментальной проверке, а потому, с научной точки зрения, она бесполезна. (В художественной литературе дела обстоят проще. В романе Филипа Дика «Человек в высоком замке» параллельные вселенные взаимодействуют. А иначе как бы мог быть сюжет?)

К счастью, есть возможное идеалистическое решение. Поскольку наше наблюдение магически разрешает дихотомию кошки, должно быть, именно мы — наше сознание — вызываем коллапс волновой функции кошки. Материальным реалистам эта идея не нравится, поскольку она делает сознание независимой причинной сущностью; признавать это означало бы забивать гвозди в гроб материального реализма. Вопреки материализму, с этим решением парадокса согласились такие знаменитые ученые, как Джон фон Нойманн, Фриц Лондон, Эдмонд Бауэр и Юджин Вигнер.

Согласно идеалистическому решению, именно наблюдение сознательного ума кладет конец дихотомии живой-или-мертвой кошки. Подобно архетипам Платона, когерентные суперпозиции существуют в волшебной стране трансцендентного порядка, пока мы их не коллапсируем и не вводим в мир проявления своим актом наблюдения. При этом мы выбираем один аспект из двух, или многих, разрешаемых уравнением Шредингера; конечно, это ограниченный выбор, подчиняющийся ограничению общей вероятности в квантовой математике, но, тем не менее, это — выбор.

Даже если материальный реализм ошибочен, следует ли нам поспешно отказываться от научной объективности и приглашать сознание в нашу науку? Один из пионеров квантовой физики, Поль Дирак, как-то сказал, что великие прорывы в физике всегда связаны с отказом от какого-нибудь великого предубеждения. Быть может, пришло время отказываться от предубеждения строгой объективности. Бернар Д'Эспанья считает объективность, допускаемую квантовой механикой, слабой объективностью. Вместо независимости событий от наблюдателя, которой требует строгая объективность, квантовая механика допускает определенное вмешательство наблюдателя — но так, что интерпретация событий не зависит ни от какого отдельного наблюдателя. Эта слабая объективность представляет собой инвариантность событий по отношению к наблюдателю: кем бы ни был наблюдатель, событие остается одним и тем же. Ввиду того что индивидуальные измерения связаны с субъективным выбором, этот принцип, безусловно, является статистическим, и инвариантность по отношению к наблюдателю справедлива только для большого числа наблюдений — в чем нет ничего нового. Давно признав вероятностную интерпретацию квантовой механики, мы уже обязаны принимать статистическую природу некоторых из наших научных принципов — например, принципа причинности. Как регулярно демонстрирует когнитивная психология, мы, безусловно, можем заниматься наукой, исходя из слабой объективности, определяемой таким образом. В действительности мы не нуждаемся в строгой объективности.

Решение парадокса Шредингера вмешательством сознания является самым простым — настолько простым, что его порой называют наивным решением. Однако по поводу этого решения было задано много вопросов, и только отвечая на эти вопросы, мы можем преодолеть обвинение в наивности.

Один вопрос, который вы, возможно, все еще задаете, — это как кошка может быть наполовину живой и наполовину мертвой? Не может — если вы думаете с позиции материального реализма. Материальный реализм предполагает, что состояние кошки в любой момент времени должно причинно непрерывным образом быть либо одним, либо другим, или живым, или мертвым. Однако материалистическое мышление — это следствие допущений причинной непрерывности и описания событий по принципу или-или. Эти допущения необязательно верны, особенно когда они проверяются экспериментами квантовой механики.

Идеалистического философа не особенно волнует парадокс одновременно живой и мертвой кошки. В одной истории мастеру дзэн показали так называемого мертвеца, которого готовились хоронить. Когда его спросили, жив человек или мертв, мастер дзэн ответил: «Не могу сказать». Как он мог? Согласно идеализму, сущность человека — сознание — никогда не умирает. Поэтому было бы неверно прямо говорить, что человек мертв. Однако когда тело человека готовят к погребению, было бы нелепо говорить, что он жив.

Жива кошка или мертва? Когда мастера дзэн Дзесю спросили: «Обладает ли пес природой Будды?», он ответил «му». Здесь опять ответить «нет» было бы неправильно, поскольку, согласно учению Будды, все существа обладают природой Будды. Ответ «да» тоже был бы рискованным, поскольку природу Будды следует осознать и прожить, а не понять интеллектуально. Поэтому мастер ответил «му» — ни да, ни нет.

По-видимому, когда квантовая механика утверждает, что по истечении часа кошка Шредингера наполовину жива и наполовину мертва, она предполагает идеалистическую философию, подобную философии мастеров дзэн. Как это может быть? Каким образом сознание может играть решающую роль в формировании реальности физического мира? Разве это не предполагает верховенства сознания над материей?

Если до того, как мы заглянем внутрь ящика, кошка Шрёдингера и жива, и мертва, но после того, как мы туда заглянем, находится в единственном состоянии (жива или мертва), то, значит, просто смотря, мы должны что-то делать. Как может мимолетный взгляд оказывать воздействие на физическое состояние кошки? Такие вопросы задают реалисты, пытаясь опровергнуть идею, что сознание вызывает коллапс когерентной суперпозиции.

Да, идеалистическое решение действительно подразумевает действие сознания на материю. Однако это воздействие создает проблему только для материального реализма. В этой философии сознание считается эпифеноменом материи, и кажется невозможным, чтобы эпифеномен материи мог воздействовать на саму ткань, из которой он образован — по существу, вызывая сам себя. Этого причинного парадокса избегает монистический идеализм, в котором сознание первично. В сознании когерентные суперпозиции представляют собой трансцендентные объекты. Они становятся имманентными только когда сознание посредством процесса наблюдения выбирает один из многих аспектов когерентной суперпозиции, хотя его выбор ограничен вероятностями, которые допускает квантовое исчисление. (Сознание законопослушно. Креативность космоса происходит от креативности его квантовых законов, а не от произвольного беззакония.)

Согласно монистическому идеализму, объекты уже находятся в сознании в качестве зачаточных, трансцендентных, архетипических форм возможности. Коллапс состоит не в делании чего-либо с объектами путем измерения, а в выборе и признании результата этого выбора. Взгляните еще раз на приводившуюся ранее иллюстрацию гештальта «Моя жена и теща» (рис. 12). На этой иллюстрации имеется наложение изображений. Когда мы видим жену (или тещу), мы ничего не делаем с картинкой. Мы просто выбираем и признаем свой выбор. Процесс «схлопывания» волновой функции сознанием представляет собой нечто вроде этого.

Однако существуют дуалисты, которые пытаются объяснять действие сознания в парадоксе Шрёдингера, находя свидетельства психокинеза — способности перемещать материю действием ума. Юджин Вигнер утверждает, что если квантовый объект может воздействовать на наше сознание, то и сознание должно быть способно воздействовать на квантовый объект. Однако свидетельств психокинеза недостаточно, и они вызывают сомнения. Кроме того, рассмотрение еще одного парадокса — «парадокса друга Вигнера» — по существу, исключает дуалистическую интерпретацию.

Предположим, что два человека одновременно открывают ящик с кошкой Шрёдингера. Если исход коллапса выбирает наблюдатель, как подразумевает идеалистическое решение, то что, если два наблюдателя делают разный выбор — разве это не создает проблему? Если мы говорим — нет, то выбор может делать только один из наблюдателей, и сторонники реализма справедливо считают это решение неудовлетворительным.

В парадоксе друга Вигнера, сформулированном физиком Юджином Вигнером, происходит следующее: предположим, что вместо того чтобы самому наблюдать кошку, Вигнер просит это сделать своего друга. Его друг открывает ящик, видит кошку и затем сообщает результаты своего наблюдения Вигнеру. На этом этапе мы можем говорить, что Вигнер только что актуализировал реальность, которая включает в себя его друга и кошку. Здесь есть парадокс: была ли кошка жива или мертва, когда друг Вигнера ее наблюдал, но до того, как он сообщил результат наблюдения? Говорить, что когда друг Вигнера наблюдал кошку, ее состояние не коллапсировало, значит утверждать, что его друг пребывал в бессознательном состоянии, пока Вигнер его не спросил — что сознание его друга не могло решить, жива кошка или мертва, без побуждения со стороны Вигнера. Это весьма похоже на солипсизм — философию, которая считает вас единственным сознательным существом, а все остальное — плодами вашего воображения. Почему Вигнер должен быть привилегированным агентом, которому позволено вызывать коллапс функции состояния кошки?

Предположим, что мы вместо этого говорим, что коллапс суперпозиции вызывает сознание друга Вигнера. Не открывает ли это ящик Пандоры? Если Вигнер и его друг смотрят на кошку одновременно, то чей выбор будет иметь значение? Что, если два наблюдателя делают разный выбор? Если бы отдельные люди своим выбором определяли поведение объективного мира, то жизнь превратилась бы в кромешный ад, поскольку, как мы знаем, субъективные впечатления часто бывают противоречивыми. В подобном случае ситуация была бы подобно той, в которой автомобилисты, движущиеся с разных сторон, выбирали бы цвет светофора (красный или зеленый) по своей воле. Этот довод часто считают смертельным ударом по решению парадокса Шрёдингера вмешательством сознания. Однако он смертелен только для дуалистической интерпретации. Чтобы понять, почему этот так, рассмотрим парадокс Вигнера более подробно.

Вигнер сравнил свое парадоксальное положение с таким, в котором для осуществления наблюдения используется неодушевленный прибор. Когда используется механизм, никакого парадокса нет. Нет ничего парадоксального или расстраивающего в том, что машина какое-то время находится в состоянии неопределенности, но опыт говорит, что решающее значение имеет наблюдение сознательного существа. Как только сознательное существо производит наблюдение, материальная реальность становится проявленной в единственном состоянии. По словам Вигнера:

Это коварный парадокс, но Вигнер прав. Нам нет нужды говорить, что пока Вигнер не проявляет своего друга, друг находится в бессознательном состоянии. В равной степени нам не нужно прибегать к солипсизму. Есть другая альтернатива.

Парадокс Вигнера возникает только когда он делает необоснованное дуалистическое допущение, что его сознание существует отдельно от сознания его друга. Парадокс исчезает, если есть только один субъект, а не отдельные субъекты, как мы обычно их понимаем. Альтернатива солипсизма — единый субъект-сознание.

Когда я наблюдаю, то вижу весь мир проявления, но это не солипсизм, поскольку нет никакого индивидуального видящего «я» в противопоставление другим «я». Эрвин Шредингер был прав, когда говорил: «Сознание — это единственное, для которого нет никакого множественного числа». Этимология и орфография сохранили единственность сознания. Однако существование в языке таких терминов, как «я» и «мое», ведет нас в дуалистическую ловушку Мы считаем себя отдельными потому, что таким образом говорим о себе.

Точно так же, люди привыкают думать об обладании сознанием, как в вопросе: «Есть ли сознание у кошки?» Лишь в материальном реализме сознание представляет что-то такое, чем можно просто обладать. Такое сознание было бы детерминированным, а не свободным, и его не стоило бы иметь.

Рассмотрим еще одно затруднение в парадоксе Шрёдингера. Предположим, что кошка Шрёдингера сама представляет собой сознательное существо. Ситуация становится еще более критической, если предположить, что в ящике с радиоактивным атомом, бутылкой с ядом и всем остальным, находится человек. Тогда предположим, что по прошествии часа мы открываем ящик, и, если он еще жив, спрашиваем его, переживал ли он наполовину мертвое, наполовину живое состояние? Он ответит — конечно, нет! Немного подумайте. Что, если мы спросим его, чувствовал ли он себя живым все время? Если этот человек достаточно вдумчив, то после некоторого размышления он, вероятно, скажет — нет. Понимаете, мы осознаем свое тело не все время. В действительности, в обычных обстоятельствах, человек очень мало осознает свое тело. Поэтому с точки зрения идеалистической интерпретации то, что происходит, можно описать следующим образом. В течение часа этот человек время от времени осознавал, что он жив. Иными словами, он наблюдал самого себя. В эти моменты его волновая функция коллапсировала, и, к счастью, всякий раз выбором было живое состояние. Между этими моментами схлопывания волны его волновая функция расширялась и становилась когерентной суперпозицией мертвого и живого состояний в трансцендентной сфере, лежащей за пределами опыта.

Вы знаете, как мы видим кино. Наш мозг-ум не способен различать отдельные неподвижные картинки, пробегающие у нас перед глазами со скоростью двадцать четыре кадра в секунду. Сходным образом, то, что человеку, наблюдающему самого себя, кажется непрерывностью, в действительности, представляет собой мираж, состоящий из множества дискретных коллапсов.

Этот последний довод также означает, что мы не могли бы спасти кошку Шрёдингера от жестокого результата радиоактивного распада, постоянно глядя на нее, и, таким образом, непрерывно коллапсируя ее волновую функцию и удерживая ее в живом состоянии. Это благородное побуждение, но оно обречено на провал — по той же причине, почему кипит котелок, за которым следят, хотя пословица предполагает другое. Это хорошо, что котелок, за которым следят, кипит, поскольку если бы мы могли предотвращать изменение, просто глядя на объект, мир был бы полон нарциссистов, пытающихся избежать старости и смерти, медитируя на самих себе.

Следует учитывать напоминание Эрвина Шрёдингера: «Наблюдения следует считать отдельными дискретными событиями. Между ними имеются разрывы, которые мы не можем заполнить».

Решение парадокса кошки Шрёдингера очень многое говорит нам о природе сознания. Проявляя материальную реальность, оно осуществляет выбор между альтернативами; оно трансцендентно и едино; и его действия ускользают от нашего нормального обыденного восприятия. Конечно, с точки зрения здравого смысла ни один из этих аспектов сознания не кажется самоочевидным. Старайтесь обуздывать свое неверие и помнить, что однажды сказал Роберт Оппенгеймер: «Наука — это незаурядный смысл».

Квантовый коллапс — это процесс выбора и признания сознательным наблюдателем; в конечном счете существует только один наблюдатель. Это значит, что нам надо разрешить еще один классический парадокс.

По мнению некоторых реалистов, измерение завершено, когда классический измерительный прибор, вроде счетчика Гейгера в клетке кошки Шрёдингера, измеряет квантовый объект; оно завершается, когда счетчик щелкает. Заметьте, что если мы принимаем подобное решение, то парадокс двойственного состояния кошки не возникает.

Это напоминает мне одну историю. Два пожилых джентльмена беседовали, и один из них сетовал на хроническую подагру. Другой с определенной гордостью сказал: «Мне не нужно беспокоиться о подагре; я каждое утро принимаю холодный душ». Джентльмен с подагрой насмешливо взглянул на него и ответил: «Значит, у вас взамен хронический холодный душ!»

Эти реалисты пытаются заменить дихотомию кошки Шредингера дихотомией квантового и классического уровней. Они делят мир на квантовые объекты и классические измерительные приборы. Однако такая дихотомия несостоятельна и совершенно не нужна. Мы можем утверждать, что все объекты подчиняются квантовой физике (единство физики!), и в то же время удовлетворительно отвечать на вопрос: «Когда завершается измерение?»

Чем определяется измерение? Говоря слегка иными словами, когда мы можем говорить, что квантовое измерение закончено? Можно подойти к ответу исторически.

Вернер Гейзенберг, предложивший принцип неопределенности, сформулировал мысленный эксперимент, который далее уточнил Бор. Недавно Дэвид Бом дал описание эксперимента, и я буду его здесь использовать. Предположим, что частица находится в покое в плоскости мишени микроскопа и мы анализируем ее наблюдение с позиции классической физики. Чтобы наблюдать частицу-мишень, мы направляем на нее (с помощью микроскопа) еще одну частицу, которая отклоняется частицей-мишенью на фотографическую пластинку, оставляя на ней след. На основании изучения следа и нашего знания того, как работает микроскоп, мы можем, в соответствии с классической физикой, определить как положение частицы мишени, так и импульс, придаваемый ей в момент отклонения. Конкретные экспериментальные условия не влияют на конечный результат.

В квантовой механике все это меняется. Если частица-мишень — это атом и если мы смотрим на него с помощью электронного микроскопа, в котором электрон отклоняется атомом на фотографическую пластинку (рис. 22), появляются следующие четыре соображения:

1. Отклоняемый электрон следует описывать и как волну (пока он движется от объекта О к изображению Р), и как частицу (когда он достигает Р и оставляет след T).

2. Вследствие этого волнового аспекта электрона, изображение Р дает нам только распределение вероятности положения объекта О. Иными словами, положение определяется только в границах некоторой неопределенности ∆х.

3. Точно так же, доказывал Гейзенберг, направление следа T дает нам только распределение вероятности импульса О и, таким образом, определяет импульс только в границах неопределенности ∆р. Используя простую математику, Гейзенберг сумел показать, что произведение двух неопределенностей больше или равно постоянной Планка. Это и есть принцип неопределенности Гейзенберга.

4. В более подробном математическом описании Бор показал, что волновую функцию наблюдаемого атома невозможно определять отдельно от волновой функции электрона, используемого для его наблюдения. В действительности, говорил Бор, волновую функцию электрона невозможно отделить от волновой функции фотографической эмульсии. И так далее. В этой цепочке невозможно провести однозначную линию раздела.

Рис. 22. Микроскоп Бора—Гейзенберга

Несмотря на неопределенность в проведении линии раздела, Бору казалось, что мы должны ее проводить вследствие «необходимого использования классических понятий при интерпретации всех правильных измерений». Бор неохотно признавал, что экспериментальную обстановку следует описывать чисто классическим языком. Следует допускать, что дихотомия квантовых волн заканчивается в измерительном приборе. Однако, как убедительно показал философ Джон Шумахер, все действительные эксперименты содержат в себе второй встроенный микроскоп Гейзенберга: процесс видения следа в эмульсии связан с такого же рода соображением, как то, что привело Гейзенберга к принципу неопределенности (рис. 23). Фотоны от эмульсии усиливаются собственным зрительным аппаратом экспериментатора. Можем ли мы игнорировать квантовую механику нашего собственного зрения? Если нет, то не являются ли наши мозг-ум—сознание неразрывно связанными с процессом измерения?

Рис. 23. Механика зрения. Еще один микроскоп Гейзенберга в действии?

Когда мы задумываемся об этом, становится ясно, что Бор заменял одну дихотомию другой — дихотомию кошки дихотомией мира, разделяемого на квантовые и классические системы. Согласно Бору, мы не можем отделять волновую функцию атома от всего остального в клетке (различных измерительных приборов для определения распада атома, вроде счетчика Гейгера, бутылки с ядом и даже кошки), и потому линия, которую мы проводим между микромиром и макромиром, оказывается совершенно произвольной. К сожалению, Бор также говорил о необходимости признавать, что измерение с помощью механизма — измерительного прибора — разрешает дихотомию квантовой волновой функции.

Однако любое макроскопическое тело, в конечном счете, представляет собой квантовый объект; не существует такой вещи, как классический объект, если только мы не готовы признавать порочную дихотомию квантового/классического в физике. Верно, что в большинстве ситуаций поведение макроскопического тела можно предсказывать, исходя из правил классической механики. (В таких случаях квантовая механика дает те же математические предсказания, что и классическая механика, — это принцип соответствия, который открыл сам Бор.) По этой причине мы часто приближенно считаем макроскопические тела классическими. Однако процесс измерения — не такой случай, и принцип соответствия к нему не применим. Разумеется, Бор это знал. В своих знаменитых дебатах с Эйнштейном Бор часто привлекал квантовую механику для описания макроскопических тел при измерении, чтобы опровергать острые возражения, выдвигавшиеся Эйнштейном против волн вероятности и принципа неопределенности.

В качестве примера спора между Бором и Эйнштейном рассмотрим ситуацию двухщелевого эксперимента, но с одним дополнительным аспектом. Предположим, что до попадания на двойную щель электроны проходят через одиночную щель в диафрагме — ее цель состоит в точном определении начального положения электронов. Эйнштейн предлагал устанавливать эту первую щель на крайне чувствительных пружинах (рис. 24). Он доказывал, что если первая щель отклоняет электрон к верхней из двух щелей, то в силу принципа сохранения импульса первая диафрагма будет отходить вниз, а если электрон отклоняется вниз, к нижней из щелей, то будет происходить противоположное. Таким образом, измерение отдачи диафрагмы будет говорить нам, через какую щель, в действительности, проходит электрон — то есть давать информацию, невозможную с точки зрения квантовой механики. Если бы первая диафрагма действительно была классической, то Эйнштейн был бы прав. Защищая квантовую механику, Бор указывал, что, в конечном счете, эта диафрагма тоже подчиняется квантовой неопределенности. Поэтому при измерении ее импульса становится неопределенным ее положение. Бор был способен продемонстрировать, что это расширение первой щели фактически уничтожает интерференционную картину.

Рис. 24. Идея Эйнштейна: начальная щель на пружинах для двухщелевого эксперимента. Если перед прохождением через перегородку с двумя щелями (не показана) электроны проходят через щель в диафрагме, установленной на пружинах, то можно ли определять, через какую щель проходит электрон, не уничтожая интерференционную картину?

Однако предположим далее, что действует принцип дополнительности и что иногда макроскопический прибор все же приобретает квантовую дихотомию (как показывает спор Бора—Эйнштейна), но что в другие моменты этого не происходит — как в случае с измерительным прибором. Эта оригинальная идея, именуемая макрореализмом, исходит от блестящего физика Тони Леггетта, чья работа привела к созданию великолепного экспериментального устройства под названием SQUID (СКВИД — Сверхпроводящий Квантово-Интерференционный Детектор).

Обычные проводники проводят электричество, но всегда оказывают некоторое сопротивление прохождению электрического тока, что приводит к потере электрической энергии в виде тепла. По контрасту с этим сверхпроводники позволяют току течь без сопротивления. Если вы создали электрический ток в сверхпроводящем контуре, то этот ток будет течь практически вечно — даже без источника энергии. Сверхпроводимость обусловлена особой корреляцией между электронами, распространяющейся по всему сверхпроводнику. Для того чтобы вырваться из этого коррелированного состояния, электронам требуется энергия, и потому такое состояние относительно невосприимчиво к беспорядочному тепловому движению, присутствующему в обычном проводнике.

СКВИД представляет собой кусок сверхпроводника с двумя отверстиями, которые почти соприкасаются в точке, именуемой «слабым звеном» (рис. 25). Предположим, мы создаем ток в контуре вокруг одного из отверстий. Ток создает магнитное поле, точно так же, как любой электромагнит, и силовые линии магнитного поля проходят через отверстие — это тоже обычное явление. В случае сверхпроводника, необычное заключается в том, что магнитный поток — число силовых линий на единицу площади — является квантованным; магнитный поток, проходящий через отверстие, дискретен. Это дало Леггетту его ключевую идею.

Рис. 25. Будет ли линия потока делиться между двумя отверстиями, показывая квантовую интерференцию на макроскопическом уровне?

Предположим, что мы создаем настолько малый ток, что имеется только один квант потока. Тогда мы создали ситуацию двухщелевой интерференции. Если есть только одно отверстие, то очевидно, что квант может быть где угодно в нем. Если звено между двумя отверстиями будет слишком толстым, то поток будет локализован только в одном отверстии. Можно ли при подходящем размере слабого звена создать квантовую интерференцию, чтобы квант потока был нелокализованным, находясь в обоих отверстиях одновременно? Если да, то квантовые когерентные суперпозиции явно сохраняются даже на уровне макроскопических тел. Если никакой такой делокализации не наблюдается, то мы можем сделать вывод, что макроскопические тела действительно являются классическими и не допускают когерентных суперпозиций в качестве своих разрешенных состояний.

До сих пор нет никаких свидетельств нарушения квантовой механики в случае СКВИДа, но Леггетт упорно ожидает краха квантовой теории. На недавней конференции он говорил: «Но временами, когда ярко светит полная луна, я делаю то, что в физическом сообществе может быть интеллектуальным эквивалентом превращения в оборотня: я задаюсь вопросом, является ли квантовая механика полной и окончательной истиной о физической вселенной... Я склонен считать, что в каком-то месте между атомом и человеческим мозгом она [квантовая механика] не только может, но должна терпеть крах».

Он говорил как подлинный материальный реалист!

Многие физики чувствуют склонность задавать те же вопросы, которые вдохновляют Леггетта, так что исследования со СКВИДом продолжаются. Я подозреваю, что однажды они дадут свидетельства в пользу квантовой механики и покажут, что квантовые когерентные суперпозиции явно присутствуют даже в макроскопических телах.

Если мы не отрицаем, что, в конечном счете, все объекты приобретают квантовую дихотомию, тогда, как впервые доказывал фон Нойманн, если цепочка материальных механизмов измеряет квантовый объект в состоянии когерентной суперпозиции, все они по очереди приобретают дихотомию объекта, до бесконечности (рис. 26). Как выбраться из тупика, который создает цепочка фон Нойманна? Ответ поразителен: выскакивая из системы, из материального порядка реальности.

Рис. 26. Цепочка фон Нойманна. В соответствии с доказательством фон Нойманна, даже наш мозг-ум заражается дихотомией кошки, так что каким же образом заканчивается цепочка?

Мы знаем, что наблюдение сознательным наблюдателем прекращает дихотомию. Поэтому совершенно очевидно, что сознание должно действовать извне материального мира; иными словами, сознание должно быть трансцендентным — нелокальным.

Если вас все еще беспокоит трансцендентность сознания, то вы, возможно, получите удовольствие от рассмотрения парадокса, который придумал нейрофизиолог Рамачандран.

Предположим, что благодаря некой супертехнологии можно записывать с помощью электродов или чего-то такого все, что происходит в мозгу, когда на него действуют внешние стимулы. Вы можете вообразить, что исходя из этих данных и с помощью некой сверхматематики вы можете получить полное и подробное описание состояния мозга в ситуации действия данного стимула.

Предположим, что стимулом служит красный цветок; вы показываете его нескольким людям, собираете данные, анализируете их и получаете набор состояний мозга, соответствующий восприятию красного цветка. Вы ожидаете, что за исключением незначительных статистических отклонений вы каждый раз будете получать, по существу, одно и то же описание состояния (что-то вроде того, что имела место реакция определенных клеток в определенной области мозга, вовлеченной в восприятие цвета).

Вы могли бы даже вообразить, что с помощью супертехнологии регистрируете и анализируете данные своего собственного мозга (при видении красного цветка). Состояние мозга, которое вы обнаруживаете у себя, не должно иметь никаких заметных отличий от всех других.

Обдумайте следующий любопытный поворот эксперимента: у вас нет никаких причин подозревать, что описание состояний мозга всех других людей не полно (особенно, если вы полностью верите в свою сверхнауку). И в то же время в отношении состояния своего собственного мозга вы знаете, что нечто упущено — а именно, ваша роль как наблюдателя — ваше осознание опыта, соответствующего состоянию вашего мозга, действительное сознательное восприятие красного. Ваш субъективный опыт не может быть частью объективного состояния мозга, поскольку в такой ситуации, кто бы наблюдал мозг? Точно так же был озадачен знаменитый канадский нейрохирург, обдумывая перспективу операции на собственном мозге: «Где субъект и где объект, если вы оперируете свой собственный мозг?»

Должно существовать различие между вашим мозгом, как наблюдателя, и мозгами тех, кого вы наблюдаете. Единственный альтернативный вывод заключается в том, что состояния мозга, которые вы конструируете даже с помощью сверхнауки, являются неполными. Поскольку состояние вашего мозга неполно, а состояния мозга других людей идентичны вашему, то они тоже должны быть неполными, ибо они не учитывают сознание.

Для материальных реалистов это парадокс, поскольку с их точки зрения ни одно из приведенных выше решений не желательно. Материальный реалист не захочет давать особые привилегии отдельному наблюдателю (что было бы равносильно солипсизму), однако также не будет склонен признавать, что любое достижимое описание состояния мозга с использованием материалистической науки было бы ipso facto неполным.

Важный ключ дает вопрос нейрохирурга — где субъект и где объект, если вы оперируете свой собственный мозг? Суть проблемы передает выражение: «То, что мы ищем, — это то, что ищет». Сознание предполагает парадоксальное самоотнесение — принимаемую как нечто само собой разумеющееся способность относиться к самим себе отдельно от окружающего.

Эрвин Шрёдингер говорил: «Неосознанно, и не будучи строго последовательными в этом вопросе, мы исключаем Субъекта Познания из сферы природы, которую пытаемся понимать». Теория квантового измерения, которая осмеливается ссылаться на сознание в делах квантовых объектов, должна иметь дело с парадоксом самоотнесения. Давайте уточним это понятие.

Из утверждения, что трансцендентное сознание вызывает коллапс волновой функции квантового объекта, можно сделать тонкое критическое замечание: сознанием, вызывающим коллапс волновой функции, могло бы быть сознание вечного, вездесущего Бога, как в следующем шутливом отрывке:

Однако вездесущий Бог, вызывающий коллапс волновой функции, не разрешает парадокс измерения, поскольку мы можем спросить: «В какой момент измерение закончено, если Бог всегда смотрит?» Ответ имеет решающее значение: измерение не полно без включения имманентного осознания. Самый привычный пример имманентного осознания — это, разумеется, осознание ума-мозга человеческого существа.

Когда измерение завершено? Когда трансцендентное сознание вызывает коллапс волновой функции посредством имманентного ума-мозга, смотрящего с осознанием. Эта формулировка согласуется с нашим обыденным наблюдением, что никогда не бывает опыта материального объекта без сопутствующего ментального объекта, т. е. мысли: «Я вижу этот объект», или, по крайней мере, без осознания.

Заметьте, что необходимо проводить различие между сознанием с осознанием и без осознания. Коллапс волновой функции происходит в первом случае, но не в последнем. В психологической литературе сознание без осознания называется бессознательным.

Конечно, в том представлении, что для завершения измерения требуется имманентное осознание, есть определенный причинный круг, поскольку без завершения измерения не может быть никакого имманентного осознания. Что раньше, осознание или измерение? Что является первопричиной? Не столкнулись ли мы с неразрешимым вопросом «курица или яйцо?».

Сходный оттенок имеет одна суфийская история. Однажды ночью мулла Насреддин шел по пустынной дороге, когда заметил приближающуюся группу всадников. Мулла занервничал и побежал. Всадники увидели, что он бежит, и поскакали за ним. Теперь мулла действительно испугался. Достигнув стен кладбища и гонимый страхом, он перескочил через стену, нашел пустую могилу и лег в нее. Всадники увидели, что он перескочил через стену, и последовали за ним на кладбище. После небольших поисков они нашли муллу, боязливо смотревшего на них снизу вверх.

«Что-нибудь случилось? — спросили муллу всадники. — Можем ли мы вам как-то помочь? Почему вы здесь?»

«Ну, это длинная история, — отвечал мулла. — Если говорить кратко, то я здесь из-за вас, и я могу видеть, что вы здесь из-за меня».

Если нам навязывают только один порядок реальности — физический порядок вещей, то вот подлинный парадокс, для которого не существует никакого решения в рамках материального реализма. Джон Уиллер назвал круговой характер квантового измерения «круговоротом значения». Это очень проницательное описание, но действительный вопрос в том, кто читает значение. Здесь нет никакого парадокса только для идеализма, поскольку сознание действует извне системы и завершает круговорот значения.

Это решение похоже на решение так называемой проблемы заключенного — элементарной задачи из теории игр. Вы планируете убежать из тюремной камеры через тоннель, вырытый с помощью вашего друга (рис. 27). Очевидно, что ваш побег будет намного легче, если вы и ваш друг будете копать с противоположных сторон одного и того же угла камеры; однако вы не можете общаться, и в камере шесть углов, из которых нужно выбирать. Шансы на побег не выглядят слишком хорошими, не так ли? Но подумайте немного о форме вашей камеры, и вы поймете, что, вероятнее всего, вы решите копать в углу номер 3. Почему? Потому что это единственный угол, который выглядит другим (вогнутым) снаружи. Поэтому вы ожидали бы, что ваш друг начнет копать именно здесь. Точно так же, только угол номер 3 вогнут изнутри, так что ваш друг, вероятно, будет ожидать, что вы тоже начнете копать в этом месте.

Рис. 27. Дилемма заключенного: какой угол выбрать?

Но в чем заключается мотивация вашего друга копать в этом углу? Это вы! Он представляет, что вы выбираете этот угол, по той же причине, по которой вы представляете, что он выбирает его. Заметьте, что в данном случае мы не можем устанавливать никакой причинной последовательности и, значит, никакой простой иерархии уровней. Вместо линейной причинной иерархии мы имеем круговую причинную иерархию. Никто не выбирал план. Вместо этого план был совместным творением, направляемым более высокой целью — побегом заключенного.

Дуглас Хофштедтер назвал ситуацию такого типа сложной иерархией — иерархией, которая настолько запутана, что невозможно выделить более высокие и более низкие уровни на иерархическом тотемном столбе. Хофштедтер полагает, что самоотнесение может происходить от подобной сложной иерархии. Я подозреваю, что в ситуации с мозгом-умом, в которой сознание вызывает коллапс волновой функции, но лишь тогда, когда присутствует осознание, наше имманентное самоотнесение происходит от сложной иерархии. Цепочка фон Нойманна заканчивается именно наблюдением самосоотносящейся системой.

Когда заканчивается измерение? Идеализм утверждает, что оно заканчивается только когда произошло самосоотносительное наблюдение. По контрасту с этим, некоторые физики доказывают, что измерение заканчивается, когда детектор обнаруживает квантовое событие. Чем же детектор отличается от прежнего измерительного прибора? Эти физики утверждают, что обнаружение детектором необратимо.

Что такое необратимость? В природе есть некоторые процессы, которые можно называть обратимыми, поскольку наблюдая эти процессы в обратном порядке, невозможно определить направление хода времени. Примером может служить движение маятника (по крайней мере, в течение короткого промежутка): если вы снимете его движение на кинопленку и затем пустите ее в обратную сторону, то не обнаружите никакого видимого различия. По контрасту с этим, киносъемку необратимого процесса нельзя прокручивать в обратную сторону, не раскрывая ее секрет. Например, предположим, что, снимая движение маятника на столе, вы также снимаете чашку, которая падает на пол и разбивается. Когда вы прокручиваете фильм в обратную сторону, осколки, взлетающие с пола и снова становящиеся целой чашкой, раскроют ваш секрет — что вы прокручиваете фильм в обратную сторону.

Чтобы понять разницу между обратимым измерительным прибором и детектором, рассмотрим следующий пример. Фотоны имеют характеристику, именуемую поляризацией, которая может принимать два значения: это некоторая ось, направленная (или поляризованная) только в одном из двух взаимно перпендикулярных направлений. Поляризованные солнцезащитные очки поляризуют обычный неполяризованный свет. Они пропускают только те фотоны, ось поляризации которых параллельна оси поляризации очков. Вы можете это проверить, поставив двое поляризованных очков перпендикулярно друг другу и посмотрев через них. Вы увидите только темноту. Почему? Потому что одно поляризованное стекло поляризует фотоны, скажем, вертикально, а другое пропускает только фотоны, поляризованные горизонтально. Иными словами, оба стекла вместе действуют как двойной фильтр, который задерживает весь свет.

Фотон, поляризованный под углом 45°, представляет собой когерентную суперпозицию наполовину вертикально и наполовину горизонтально поляризованных состояний. Если такой фотон проходит через поляризационную коробку с вертикально и горизонтально поляризованными каналами, то он случайным образом появляется либо в вертикально поляризованном, либо в горизонтально поляризованном канале. Об этом можно судить по показаниям детекторов, помещенных за каждым из каналов (рис. 28, а).

Теперь предположим, что в установке, изображенной на рис. 28, а, мы помешаем между поляризационной коробкой и детекторами поляризатор с углом поляризации 45° (рис. 28, б). Оказывается, что фотон восстанавливает свое первоначальное состояние поляризации под углом 45° — состояние когерентной суперпозиции; он возрождается. Таким образом, для измерения фотонов одного поляроида недостаточно — поскольку фотоны по-прежнему сохраняют свой потенциал становиться когерентной суперпозицией. Для измерения необходим детектор, в котором происходят необратимые процессы, например флуоресцентный экран или фотографическая пленка.

Рис. 28. Эксперименты с фотонами, поляризованными под углом 45°

Если думать с точки зрения обращения времени, то движение фотонов, поляризованных под углом 45°, которые проходят через поляризационную коробку, а потом опять через поляризатор с углом поляризации 45°, обратимо во времени. Однако если фотоны обнаруживаются неким детектором с необратимыми процессами, то, представляя себе этот процесс в обратном направлении, вы способны различать между движением вперед и назад.

Вспомните историю о сцене, снимавшейся для немого кино. Предполагалось, что героиня привязана к рельсам перед приближающимся поездом. По сюжету фильма героиня должна была быть спасена — поезд в последнее мгновение останавливался. Поскольку актриса (по понятным соображениям) не хотела рисковать своей жизнью, режиссер снимал всю сцену задом наперед — начиная с момента, когда актриса привязана к рельсам, а поезд неподвижно стоит рядом с ней. Затем поезд начинал двигаться задом. Но что, как вы думаете, видели зрители, когда фильм прокручивали в обратную сторону? В те дни поезда водили паровозы, работавшие на угле. В фильме, запущенном в обратную сторону, дым входил в паровозную трубу, вместо того чтобы выходить из нее, тем самым раскрывая секрет фильма. Образование дыма — необратимый процесс.

Означает ли это, что близко решение проблемы квантового измерения — причем без допущения участия сознания? Нам нужно только признать необратимость определенных измерительных приборов, именуемых детекторами, и тогда, возможно, мы можем вырваться из цепочки фон Нойманна. Как только детекторы сработали, когерентная суперпозиция больше не может быть восстановлена, и, следовательно, можно сказать, что она действительно закончилась.

Но так ли это на самом деле? Достаточно ли детектора для окончания цепочки фон Нойманна? Сам фон Нойманн отвечает — нет. Детектор должен становиться когерентной суперпозицией показаний стрелки, по той простой причине, что он тоже подчиняется квантовой механике. То же справедливо и для любого последующего измерительного прибора — обратимого или «необратимого». Цепочка фон Нойманна продолжается.

Суть в том, что квантовое уравнение Шредингера обратимо во времени: оно не меняется при перемене знака времени. Как показал математик Жюль Анри Пуанкаре, поведение любого макроскопического тела, подчиняющегося уравнению, обратимому во времени, не может быть подлинно необратимым. Поэтому складывается общепринятая точка зрения, что абсолютная необратимость невозможна; кажущаяся необратимость, которую мы наблюдаем в природе, обусловлена низкой вероятностью обращения пути эволюции макроскопического тела к исходной конфигурации, обладающей большей относительной упорядоченностью.

Учет необратимости дает важный урок. Хотя, в конечном счете, все объекты представляют собой квантовые объекты, видимая необратимость некоторых макрообъектов позволяет нам проводить приблизительное различие между классическим и квантовым. Мы можем говорить, что квантовый объект восстанавливается, тогда как время восстановления классического объекта чрезвычайно велико. Иными словами, можно говорить, что в то время как квантовые объекты не имеют заметного сохранения своей истории — не имеют памяти, классические объекты — например, детекторы — обладают памятью, в том смысле, что для стирания памяти требуется длительное время.

Возникает еще один важный вопрос: если в движении материи нет абсолютной необратимости, то как идеалистическая интерпретация справляется с представлением об однонаправленном течении времени, стреле времени? Согласно идеалистической интерпретации, в трансцендентной области время представляет собой улицу с двусторонним движением, демонстрируя признаки лишь приблизительной необратимости для движения все более и более сложных объектов. Когда сознание коллапсирует волновую функцию ума-мозга, оно проявляет наблюдаемое нами однонаправленное время. Необратимость и стрела времени входят в природу в процессе самого коллапса — квантового измерения, — как много лет назад подозревал физик Лeo Сциллард.

По-видимому, необратимость детекторов не решает проблему измерения. К подобному решению можно обращаться только если мы готовы признавать необратимость в форме неупорядоченности, еще более фундаментальной, чем квантовая механика. Существует предложение поступать именно так.

Предположим, что материя фундаментально беспорядочна и беспорядочное поведение субстрата частиц посредством случайных флуктуаций порождает приблизительно упорядоченное поведение, которое мы можем называть квантовым. Если бы это было так, то сама квантовая механика была бы эпифеноменом — как и все другое упорядоченное поведение. В поддержку такого рода теории нет никаких экспериментальных данных, хотя если бы ее можно было доказать, это было бы оригинальное решение проблемы измерения. Однако некоторые физики все же допускают, что существует скрытая основополагающая среда, вызывающая случайность; они проводят аналогию с беспорядочным движением молекул, вызывающим видимое в микроскоп беспорядочное движение частиц пыльцы в воде (именуемое броуновским движением). Однако допущение наличия основополагающей среды противоречит данным эксперимента Аспекта, если только не включает в себя нелокальность. А в рамках материального реализма трудно принимать нелокальное броуновское движение.

Стивен Хоукинг говорит: «Всякий раз, когда я слышу о кошке Шредингера, мне хочется схватить пистолет». Аналогичное побуждение испытывает почти каждый физик. Все хотят убить кошку — то есть парадокс кошки, — но у нее, судя по всему, девять жизней.

В первой жизни кошку трактуют статистически, как часть ансамбля. Кошка оскорблена (поскольку эта интерпретация лишает ее своеобразия), но невредима.

Во второй жизни философы макрореализма рассматривали кошку как пример дихотомии квантового/классического. Кошка отказывается менять свою дихотомию жизни/смерти на еще одну дихотомию.

В третьей жизни кошке предъявляют необратимость и случайность, но кошка говорит — докажите это.

В четвертой жизни кошка встречается со скрытыми переменными (идеей, что ее состояние никогда не становится двойственным, но, в действительности, полностью определяется скрытыми параметрами), и то, что происходит, остается скрытым.

В пятой жизни представители нео-Копенгагенской школы пытаются избавиться от кошки, используя философию логического позитивизма. По большинству оценок кошка остается невредимой.

В шестой жизни кошка встречается с множественными мирами. Как знать, возможно, она погибла в какой-то вселенной, но насколько мы можем судить, не в этой.

В седьмой жизни кошка встречается с Бором и его принципом дополнительности, но ее спасает вопрос: что составляет измерение?

В восьмой жизни кошка лицом к лицу встречается с сознанием (дуалистического сорта), но ее спасает друг Вигнера.

Наконец, в девятой жизни кошка находит спасение в идеалистической интерпретации. На этом заканчивается история девяти жизней кошки Шрёдингера.